Xi măng lưu trữ điện – trong nhiều thế kỷ, xi măng chỉ được xem là nền tảng của mọi công trình xây dựng: tường, cầu, đập, hay đường sá. Nó gắn liền với hình ảnh chắc chắn, bền bỉ nhưng hoàn toàn “tĩnh lặng”.
Thế nhưng, một nghiên cứu vừa công bố trên Cell Reports Physical Science đã khiến cộng đồng khoa học bất ngờ: xi măng giờ đây có thể phát điện, thậm chí còn “sống” và có khả năng tái hoạt động sau khi ngừng sử dụng. Nghe qua tưởng như chuyện khoa học viễn tưởng, nhưng lại là bước đi thực sự trong ngành vật liệu thế hệ mới.
Xi măng lưu trữ điện nhờ từ đâu
Điểm khởi đầu của nghiên cứu này nằm ở ý tưởng kết hợp giữa một vật liệu vốn quen thuộc với xây dựng và thế giới vi sinh vật. Xi măng sau khi đóng rắn thường dẫn điện kém, gần như không thể trở thành nguồn năng lượng. Tuy nhiên, nhóm nghiên cứu đã đưa vào đó những thành phần đặc biệt gọi là Electroactive Microbes hay Electroactive Materials, tức là các vi sinh vật hoặc hợp chất sinh học có khả năng truyền dẫn điện.
Khi những “tế bào sống” này xuất hiện trong ma trận xi măng, chúng hình thành nên các đường dẫn siêu nhỏ, giống như những mạch điện ngầm, cho phép vật liệu tích trữ và phóng điện khi cần thiết.
Cơ chế này không giống pin hóa học mà chúng ta thường biết. Pin cần phản ứng oxy hóa – khử để tạo ra dòng điện, còn ở đây, xi măng đóng vai trò như một siêu tụ điện. Tụ điện có khả năng tích điện nhanh và xả điện nhanh, tuy dung lượng không lớn bằng pin nhưng lại bền và an toàn. Điều đáng kinh ngạc là, khối xi măng giờ không chỉ gánh vác công trình mà còn có thể trở thành một thiết bị lưu trữ năng lượng.
Tuy nhiên, công nghệ này không hoàn toàn không có thách thức. Đầu tiên là mật độ năng lượng: dù có khả năng lưu trữ, nhưng lượng điện mà một khối xi măng có thể giữ vẫn thấp hơn nhiều so với pin lithium-ion hay các siêu tụ điện thương mại. Bên cạnh đó, việc thêm các thành phần sinh học vào xi măng có thể ảnh hưởng đến tính cơ học, khiến nó cần được kiểm tra kỹ lưỡng trước khi ứng dụng đại trà trong xây dựng.
Ngoài ra, các vi sinh vật trong xi măng cũng cần môi trường phù hợp để “sống” và duy trì hoạt tính. Nếu khối xi măng quá khô hay bị bỏ mặc lâu ngày, chức năng lưu trữ điện có thể giảm đi.
Thế nhưng, đây cũng chính là điểm sáng tạo lớn của công trình: hệ xi măng này có khả năng tái hoạt hóa. Khi được bổ sung điều kiện thích hợp, chẳng hạn như thêm độ ẩm, các vi sinh vật và mạng dẫn điện có thể khôi phục chức năng, khiến vật liệu tiếp tục phát điện như ban đầu. Điều này tạo nên một sự khác biệt rõ rệt so với các siêu tụ điện truyền thống vốn bị “chết” hẳn sau khi mất tác dụng.
Để thấy rõ sự mới mẻ, hãy so sánh với những nỗ lực trước đây. Các nhà khoa học từng trộn than chì, graphene hay sợi thép nhỏ vào xi măng để làm nó dẫn điện hơn. Tuy vậy, các vật liệu này chỉ mang lại tính dẫn điện thụ động, không thể tự phục hồi. Trong khi đó, vi sinh vật điện hoạt là thành phần sống, có khả năng tạo liên kết dẫn điện và duy trì hoạt tính qua thời gian.
Trước đây cũng có thí nghiệm về tế bào nhiên liệu vi sinh, nhưng chúng thường yêu cầu môi trường lỏng và hệ thống riêng biệt, rất khó áp dụng vào công trình xây dựng. Lần này, điểm khác biệt chính là mọi thứ đã được “gói gọn” ngay trong một khối xi măng bình thường.
Thành tựu lớn nhất của nghiên cứu này không nằm ở việc tạo ra một pin mạnh mẽ, mà ở tầm nhìn dài hạn: những công trình trong tương lai có thể trở thành công trình năng lượng. Một bức tường bê tông có thể vừa chống đỡ mái nhà, vừa tích trữ điện để thắp sáng đèn, cấp nguồn cho các cảm biến, hoặc cung cấp năng lượng cho mạng lưới IoT trong tòa nhà.
Điều này không chỉ tiết kiệm không gian mà còn mở ra một hệ sinh thái năng lượng phân tán, nơi từng viên gạch, từng khối bê tông đều góp phần vào dòng chảy điện năng.
Một lợi ích khác là tính bền vững. Thay vì phụ thuộc vào kim loại hiếm và đắt đỏ như cobalt hay lithium, công nghệ này khai thác nguồn vi sinh vật phổ biến trong tự nhiên. Nếu được phát triển đúng hướng, nó có thể giảm gánh nặng môi trường và chi phí sản xuất pin. Hơn nữa, khả năng tái kích hoạt giúp kéo dài tuổi thọ thiết bị, hạn chế rác thải điện tử – một vấn đề đang ngày càng nhức nhối.
Tất nhiên, chặng đường phía trước vẫn còn dài. Từ phòng thí nghiệm đến công trình thực tế là một quãng cách lớn, cần chứng minh vật liệu vừa bền về cơ học, vừa ổn định về điện trong nhiều năm. Nhưng tiềm năng thì đã rõ: một ngày nào đó, bạn có thể sống trong một ngôi nhà không chỉ kiên cố mà còn “tự sạc pin” để vận hành hệ thống đèn thông minh, cảm biến nhiệt độ, hoặc các thiết bị điện tử nhỏ mà không cần cắm vào lưới điện truyền thống.
Nguồn: Cell Reports Physical Science